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(多图) 基于单片机的现场无电源电子密码锁设计

现代电子技术 马秀军 孙士明 吴娟 谢星周?? 2010年07月21日 ?? 收藏0

  O 引言

  目前,市场上有多种基于IC卡设计的电子锁,广泛应用于宾馆、公寓、仓库、学校等场所。这些场合能够提供很好的直流或交流电源,电子锁的控制部分可以长时间方便地获取稳定的电源。但是,在野外环境中往往不能为控制部分方便地提供电源,需要手持部分为控制部分提供电源,执行开锁和闭锁操作,因此传统由控制部分提供电源的电子锁不能满足野外环境的需要,例如采油井、注水站、电信通讯井等,在这些地方,尤其是偏远的地方,往往对安全性要求较高,提供电源又较为困难。

  本文介绍了一种电子锁,电子锁系统分为控制和手持两部分。手持部分的电源采用锂电池,控制部分的工作电源由手持部分提供,数据线和电源线共用一根线,有效解决了上述问题,使用方便。

  1 硬件系统设计

  电子锁由控制部分和手持部分组成。控制部分由STCl2C2052单片机、信号接收电路、电机驱动电路、保护电路构成,主要完成电子锁钥匙密码的接收、验证、直流电机驱动、电机保护功能;手持部分主要由STCl2C2052单片机、可充电电源电路、信号发送电路、锁开关按键电路构成,主要完成电子锁系统电源的提供,开锁、闭锁信号和钥匙密码信号的发送功能。为了使用方便,控制部分和手持部分的连接采用纽扣式接头,外部为地,内部为电源线,通过单根电源线实现数据传输和控制功能。开锁、闭锁操作的执行由3 V直流变速电机完成,直流变速电机可以降低转速,增大力矩。硬件系统结构示意图如图1所示。

硬件系统结构示意图

  1.1 STCl2C2052单片机

  控制部分和手持部分微处理器采用STCl2C2052单片机。STCl2C2052除了具有运算器、控制器、RAM、FLASH、定时器、串行接口等功能部件外,还具有以下特点:SOP-20封装,体积小;3.5~5.5 V宽工作电压,具有ESD保护,高抗静电干扰,抗4 kV快速脉冲干扰;-40~+80℃工作温度范围,低功耗的空闲和掉电工作模式,2 KB芯片内E2PROM,ISP系统在线可编程,硬件看门狗(WDT)等特点,适用于野外环境。

  1.2 信号发送电路

  手持部分的信号发送电路将开锁、闭锁信号和钥匙密码信号通过电源线发送到控制部分。信号发送电路由三极管Q1、二极管D1、电阻R1和线圈L1构成,如图2所示。当单片机的P3.1输出高电平时,Q1截止,输出低电平时,Q1导通,电源正极通过D1、限流电阻R1和Q1接地。此时,会在电源线上产生一个瞬时的低脉冲,表明有信号发送,低脉冲信号的不同频率代表发送的是“O”,还是“1”。

信号发送电路

  1.3 信号接收电路

  控制部分信号接收电路通过电源线接收开锁、闭锁控制信号和钥匙密码信号。接收电路包括电容C1,三极管Q2和一个反向器。电源通过线圈L2给控制部分提供电源,如图3所示。手持部分通过电源线发送信号,产生瞬时的低电平脉冲,低脉冲信号通过C1加载到Q2的基极,使得Q2处于截止状态。此时,反向器输出低电平信号。无脉冲信号时,Q2处于饱和导通状态。此时,反向器输出高电平信号。根据信号频率可以判断发送来的是“0”,还是“1”。

信号接收电路

  1.4 直流电机倒向驱动电路

  系统采用带有变速器的3 V直流电机,通过电机的顺时针、逆时针旋转完成开锁、闭锁操作。倒向驱动电路由三极管Q4,Q6,Q8,Q10,Q5,Q7,Q9,Q11组成,单片机的P1.O,P1.1,P1.2,P1.3分别经反相器后接Q4,Q6,Q8,Q10的基极。电路如图4所示。

直流电机倒向驱动电路

  当单片机的P1.O,P1.1,P1.2,P1.3为低电平时,Q4,Q6,Q8,Q10截止,V1和V2处于浮空状态,电机静止;当开锁时,单片机的P1.0,P1.3为高电平,P1.1,P1.2为低电平,Q4,Q5,Q10,Q11导通,Q6,Q7,Q8,Q9截止,V1为正,V2为负,电机正转开锁;当闭锁时,单片机的P1.0,P1.3为低电平,P1.1,P1.2为高电平,Q4,Q5,Q10,Q11截止,Q6,Q7,Q8,Q9导通,V1为负,V2为正,电机反转闭锁。

  在程序实现时,必须注意严禁P1.0,P1.1,P1.2,P1.3同时为高电平,即Q4,Q6,Q8,Q10同时处于导通状态。

  1.5 电机保护电路

  直流变速电机执行开锁、闭锁操作一定时间后,外部机械装置会迫使电机停止转动,如果不采取措施,会产生较大电流,损坏直流电机,所以保护电路是必不可少的。

  保护电路由TLV2252运算放大器、电阻R4,R5,R6组成,电路如图5所示。TLV2252的1IN+(引脚3)接R5,R6构成分压电路;11N-(引脚2)接电阻R4,电阻R4串联到电机倒向驱动电路的公共输出端。当电机正常工作时,通过R4的电流较小,TLV2252的输出(引脚1)经两个反向驱动后送给单片机的P3.3,此时为“1”,进行正常的开关操作。当外部机械装置迫使电机停止转动时,由于直流电机负载过大,通过R4的电流较大,这时放大器TLV2522输出经两个反向驱动后送给单片机的P3.3,此时为“O”,利用此信号产生中断信号,停止开锁、闭锁操作,以此起到对电机的保护作用。

电机保护电路


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